JPS60135873A - 差動自励ブリツジ形磁気検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 差を磁場勾配として検出する差動自励ブリッジ形磁気検
出方法に関する。

従来からあるブリッジ方式の磁気検出回路は、交流ブリ
ッジを構成する４素子のうち、少なくとも１素子は、コ
イル中心部に磁心を配置したインダクタンス素子で構成
し、この磁心に印加される被測定磁界によってインダク
タンス素子のイン−ピーダンスを変化させ、磁気情報を
ブリッジの不平衡電圧振巾値の変化として取り出すよう
にしたものである。

この種のブリッジ回路からは、被測定磁界の強さを測定
することは、不平衡電圧振巾より実施できるが、磁場勾
配の方向を測定することは、このままでは不可能である
。また、印加方向を判別するためには、不平衡電圧より
交流ブリッジ印加電圧ｅｆ　の周波数ｆを２倍にした倍
周波成分ｅ、’ｆＥを抽出する信号処理回路部が必要に
なる。

すなわち、不平衡電圧を、倍周波同調増巾回路に″入力
して、倍周波成分を増巾し、その出力を位相検波するた
めの同期整流部に入力するとともに、電圧ｅｆ　を逓倍
器に入力して得られる倍周波出力信号ｅｒを利用するこ
とによって、初めて不平衡電圧は検波される。

そして、この位相検波出力電圧の符号を識別することに
よって、印加方向を知ることになるわけである。

ところが、このような−回路構成は、特公昭５４全く同
じであって、単なるブリッジ回路からだけでは、磁場勾
配の完全計測は不可能であり、この方式における測定回
路の簡素化は不可能である。

また、このようなブリッジ回路では、ブリッジ回路に印
加する交流電源部と磁気を感応するインダクタンス素子
とを結ぶ伝送、および、ブリッジ回路全体と信号処理回
路部との伝送は、ＡＣ−ＡＣ伝送（交流伝送）であるた
め、伝送路が長くなると減衰がはげしくなり、数１００
ｍぐらい離すと全く磁気計測は不可能になる。

ある。

すなわち、高透磁率、低保磁力の特性を最大限に生かせ
るパーマロイ、アモルファスなどの磁心の非線形磁気特
性領域を動作領域とする自励ブリッジ回路を磁気半導体
結合方式によって構成し、オペアンプの出力端子の方形
波出力電圧の正負半サイクル持続期間を被測定磁場勾配
によって制御式による自励ブリッジ回路を構成し、ブリ
ッジ内のオペアンプの正負飽和直流電圧を直接、ブリッ
ジ回路に印加して磁場勾配の強さと方向を知ることがで
きるようにした点である。

第２の特徴は、磁心として、高透磁率、低保磁力である
アモルファス磁性細線などを使用することにより小さな
消費電力にて高感度磁界測定を可能にしたことである。

第６の特徴は、フラックスゲート方式やブリッジ方式に
みられる交流励磁電圧、倍周波信号などのパワー・信号
の送受方法はＡＣ’−Ａ’Ｃ伝送方式であったが、本発
明では減衰の少ないＤＣ−ＤＣ方式（直流伝送方式）に
改良することにより、コード長が数１００ｍに及んでも
高感度磁場勾配測定を可能にしたことである。

第４の特徴は、ブリッジ回路及びフラックスゲートマグ
ネトメータの回路構成における交流励磁電源、逓倍器、
同調増巾器、同期整流部などの主要基本構成回路を全く
必要とせずに、簡素化された磁気半導体結合回路によっ
て磁場勾配の強さと方向を測定しうるようにしたことで
ある。

第５の特徴は、オペアンプの正負両極性直流安定化電源
と表示回路部のアースをコモンアースにしたことにより
回路構成を単純化したことである。

以下、図面において詳細に説明する。

第１図は本発明における差動磁気検出素子の基本構成を
示す。第１図は、磁場勾配測定の場合を示し１．１ａ１
１ｂはガラス管で、その外側には端子２ａ、２ｂの一次
巻線２と、端子３ａ、３ｂの二次巻線６が巻かれている
。コンデンサ５は磁心より発生する雑音成分を吸収させ
るもので、端子２ａ、２ｂの巻線端子に接続され、端子
２ｂ、３ｂは結線されてアースＧに落とされている。各
巻線２、乙の巻線極性は図示の通り第１磁心４ａと第２
磁心４ｂにおいて、逆極性とする。ガラス管１ａ。

１ｂの中心空間部には、磁性材料としてアモルファス磁
性細線などの磁心４ａ、４ｂが挿入されている。磁心材
料としては、高透磁率、低保磁力であるアモルファス磁
性材料が最適であるが、その他、パーマロイ線材（磁性
線などこれを限定するものではない。また形状も、リボ
ン状などその他これを限定するものではない。

第２図は、理解を簡単にするために本発明の動作原理を
第１磁心と第２磁心を統合した絖合磁゛心としてのＢ−
Ｈ特性を用いて説明するための図である。第２図（ａ）
は、被測定磁場勾配ΔＨｅｘが零（△Ｈｅｘ　−Ｑ　）
すなわち、無磁場か、平行磁場内に、２個の磁心が平行
して配置された時における統合磁心のＢ−Ｈ特性を示し
たものである。磁性材料にはヒステリシスが存在するた
め、励磁の１サイクルでは、図示されているように■→
■→■→■→■の経路をたどることになる。ここで、△
Ｈｅｘ＝０の状態の時に、正の直流電圧を一次巻線２に
印加し、正の励磁界によって最大磁束密度貼まで励磁さ
せると、図示の通りその磁束密度変化中はΔＢ１２とな
る。そして、統合磁心としての磁束密度がＢｍに達する
と同時に直流電圧を零にすれば、磁心を励磁している磁
界はなくなるので磁束密度レベルは点■から点■のレベ
ルに急速に戻る。今度は、負の直流電圧を印加して、負
の励磁界によって統合磁心を負の最大磁束密度−Ｂｍま
で励磁させると、その磁束密度変化中は６１３ｍ４とな
り、１△Ｂ１２＋−＋ΔＢ５４１が成立することになる
。ところが、第２図（ｂ）に示すごと◇、簡単にから、
前述の励磁サイクルをくりかえす場合を考えてみると、
まず、正励磁界の印加時における磁束密度変化中はΔＢ
′１２、負励磁界の印加時ではΔＢ’Ｒ４となり、ΔＢ
′１．とΔＢ′３４の間には、明らかに１△ｎ′１ｔ　
＋　＜　＋ΔＢ’ｊ４　＋が成立する。いいかえれば、
励磁用の直流電圧が零状態から、統合磁心を正あるいは
負の最大磁束密度レベルにまで励磁するに要する正励磁
期間ｔ′十と負励磁期間ｔ′−の間に、ｔ’＋（ｔ’−
の関係式が成立することになる。

る状態から、前述の励磁サイクルをくり返えすと、正励
磁時にΔＢ″１２、負励磁時にΔＢ／／、、の磁束密度
変化がみられ、正励磁期間ｔ″十と負励磁期間ｔＩＩ−
の間に、ｔＩｊ＋）　ｔｌｌ−が成立することになる。

そこで、磁心に前述の励磁サイクル時に印加する励磁直
流電圧値が統合磁心の最大磁束密度レベルにおいても低
下あるいは変動しないように、第６図午差動磁気検出回
路に示すごとく一次巻線２と直列に可変抵抗６を接続し
、この可変抵抗によってインピーダンス調整をする。そ
こで、統合磁心の磁束レベルが最大磁束密度レベル■あ
るいは■に達すると同時に自動的に直流電圧Ｖｃ、−Ｖ
ｃの極性が切り換えられる場合を考えると、端子７（ま
たは、端子８）における電圧波形ｅは、正負両極性を有
する方形波電圧波形として観測されることになる。第４
図は、このような仮定のもとに、△Ｈｅｘ　−０、△Ｈ
’ｅ　ｘ）　０、△Ｈ″ｅｘ〈０の各場合における端子
７における電圧波形ｅを図示したものである。図かられ
かるように、両極性方形波の正の半サイクル持続期間を
十、ｔ′＋、ｔＩｌ＋と、負の半サイクル持続期間を一
１ｔ′−１ｔ″−は、被測定磁場勾配△Ｈｅｘ　、△Ｈ
’ｅｘ、△Ｈ”ｅｘによって制御されることがわかる。

それ故、ｅを積分し、その電圧積分値Ｅｏ　、Ｅ’ｏ　
、　Ｅ”ｏの符号と電圧値から被測定磁場勾配△）Ｉ　
ｅ　ｘの極性と強さに対応させて換算表示することによ
り、磁界勾配測定を可能にすることができることがわか
る。

第５図は、本発明の動作原理を自動的に遂行するための
全体回路図である。機能的には、磁気感応部１００、表
示回路部２００、直流安定化電源部６００から゛成立す
る。

まず、磁気感応部１００のブリッジ回路を構成する素子
として、−辺には可変抵抗６、−次巻線２とコンデンサ
５が存在し、他辺には可変抵抗１１と可変抵抗１０が存
在する。また、ブリッジ各辺の両端の一端はオペアンプ
ＯＰ１の出力端子７に、他端はアースＧに接続されてい
る。２次巻線６は、第１磁心４　ａ、第２磁心４ｂに印
加する被測定磁場勾配△Ｈｅｘを打消す方向に磁界を発
生させるもので、これは表示回路部２０゛０から出力さ
れる打消し電流が端子６ａに入力されることにより実行
される。このフィードバック系は、磁気感応部の回路系
を安定化させるためと、被測定磁場勾配に対する出力電
圧の関係を表わす入出力特性の直線性改善をねらうこと
を目的としたもので実用的には非常に有用である。ただ
し、２次巻線ろを省略しても本発明の目的は変わるもの
ではない。オペアンプＯＰ１の各入力端子への入力は、
非反転端子Ｐには一次巻線２の端子２ａが結点Ａを介糞
して入力され、反転端子Ｎには可変抵抗１０．１１の結
点Ｂ　ｔｔ　介］−て入力されている。オペアンプＯＰ
、の動作は、Ｐ、Ｎ端子間における入力電圧差ｅＡ−ｅ
Ｉｌ！ｌを増巾する増巾器として動作しているのではな
く、入力電圧差ＯＡ−ｅ　Ｂが正かあるいは負であるか
を識別し、それぞれに対応して正あるいは負の飽和直流
電圧を出力する符号識別器として機能させているのであ
る。コンデンサ５は、磁心キで発生する雑音成分を吸収
させるとともに、急速な磁束変化による影響を抑制する
ことによって自励動作を安定化させる機能を有している
ので、挿入することが望ましい。

次に、自励動作について説明する。

ここで、理解を容易にするために、可変抵抗６．１０．
１１の抵抗値をＲ６、鴇０、−１とし、−次巻線２のイ
ンピーダンスをＺ２とし、統合磁心の最大磁束密度子Ｂ
ｍに達する直前のインピーダンスを２２ｍ−とじ、十Ｂ
ｍに達した時のインピーダンスをＺ、ｍとして、これら
の間には’％　＞　Ｚｔ及びＲ１１〉鳥。、かツＩ（６
−４’Ｌ１．およびＺ２”　＞　ＲＩＯ＞Ｚ２ｒｎが成
立しているひとつの場合に限定して考えることにする。

仮りに、今の瞬間において、オペアンプ０Ｐｌの出力端
子７の出力電圧が正の飽和直流電圧＋Ｖｓ　に切換わっ
だとすれば、統合磁心における磁束密度レベルは被測定
磁場勾配で規定される磁束密度レベルにまで急速に戻る
ことになる（■の状態）。そして反転端子Ｎには抵抗１
１と１０によって分圧された正の電圧ｅＢ・（〉０）が
入力されることになり、非反転端子Ｐには抵抗６とコン
デンサ５を含む一次巻線２のインピーダンスとの分圧に
よって定まる正の電圧ｅＡ（＞０）が入力される。ここ
で、−次巻線のインピーダンスＺ２　は統合磁心が磁束
不飽和状態に入っているため、非常に大きく、抵抗１０
との間には：％　＞　”ｓ　。

が成立するので、オペアンプ入力電圧差の符号は正（ｅ
Ａ　−ｅＢ’＞Ｏ）となり、オペアンプｏｐ１の出力電
圧はそのまま正の飽和直流電圧＋Ｖｓを維持する。とこ
ろが、統合磁心における磁束密度レベルが次第に上昇し
、徐々に正の最大磁束密度Ｂｍに近づくに′つれ、透磁
率の減少にともない、−次巻線２のインピーダンスＺ２
は低下し、磁心本が正の最大磁束密度Ｂｍに達する直前
でｚ２ｔ−ｚ２ｍ−となり、この時点では２２ｍ　−）
　Ｒ，。が成立しているが次の瞬間には統合磁心は最大
磁束密度Ｂｍに達するので（■の状態）、今度はＺ２ｗ
　Ｚ、ｍ　（Ｒ，。となる。その結果”Ａ　（ｅＢ　の
関係が成立しオペアンプ０Ｐ１の入力端子間入力電圧差
の符号は正（ｅ、Ａ−ｅＢ＞０）の状態から負（ｅＡ−
ｅＢ〈ｏ　）の状態へ変化するため、オペアンプＯＰ１
の出力端子７には負の飽和直流電圧−Ｖｓが発生する。

そしてこの電圧は、ブーリッジの端子７とアースＧの間
に印加されると同時に、統合磁心の磁束密度レベルは再
び被測定磁場勾配で規定されるレベルにまで急速に戻る
（■の状態）。この負の励磁サイクルに突入するとＺ２
〉Ｒｌｏ；ｅＡ〈０；ｅＢ〈０；ｅＡ−ｅ、〈０の関係
が成立し、統合磁心における磁束変化は、逆方向に向か
って進む。そして時間の経過とともに、統合磁心の磁束
密度レベルが、負の最大磁束密度−Ｂｍに達すると（■
の状態）、Ｚ２ｗ　２２ｍ　（ＲｌｏＳｅＡ、　）　ｅ
　Ｂ’が成立し、オペアンプｏｐ、の入力電圧差の符号
は正（ｅＡ　”Ｂ＞０’）となって、０Ｐ１の出力端子
７には正の飽和直流電圧＋Ｖｓ　が出現することになる
のである。

以上の回路動作説明より、統合磁心が最大磁束密度子Ｂ
ｍまたは−Ｂｍに達するごとにオペアンプ０Ｐ、の飽和
直流電圧子Ｖｓが交互に自動的に切り換えられることが
明らかとなった。

また、磁心４ａに被測定磁場勾配△Ｈｅ　ｘ　、△Ｈも
Ｘ（＞ＯＬ△Ｈ”ｅｘ　（（Ｑ　）が印加された状態で
前述の動作をさせると、オペアンプＯＰ、の出力端子で
は第４図に示されているような方形波電圧波形が観測さ
れることも容易に理解できるわけである。ただし、正確
を期すならば、第４図の±Ｖｃを士Ｖｓ　に置き換えて
読み取れば十分である。

２００は表示回路部で、磁気感応部１００お出力電圧を
積分増巾するオペアンプＯＰ２と、これに接続された積
分用のコンデンサ１２と、抵抗１６．１４．１６．１８
およびチョークコイル１７、指示針１９から構成されて
いる。

オペアンプＯＰ２の出力端子１５では、被測定勾配磁場
の方向とその強さにそれぞれ対応する正あるいは負の直
流電圧値が観測される。

チョークコイル１７は、磁心４に印加している被測定勾
配磁界を打消す方向に電流を流す時に、磁気感応部１０
０からの交流成分が表示回路部に影響を与えないように
する目的と、２次巻線に誘導する誘起電圧によって流中
れる誘導電流を阻止して、自励動作を安定化させるため
に挿入されている。このチョークコイル１７を抵抗によ
って代行させることも可能である。ろＯｏは直流安定化
電源部であり、オペアンプＯＰ１．　ＯＰ、を駆動する
ためのものである。磁気感応部１００と表示回路部 部との伝送は寥流分だけで目的が達成される本発明では
、磁気感応部１００と直流安定化電源部６００との伝送
も直流分であることから、パワーの送受、信号の送受は
完全なりＣ−ＤＣ方式になっている。それ故、たとえば
測定室には直流安定化電源部６００と表示回路部２００
を設置し、数１００ｍはなれたところの取り付けられた
磁気感応部１００が感応する磁気変化あるいは異常な地
磁気の変動などを測定室においてモニターすることが可
能になるのである。

第６図は磁気感応部１００の変形回路であって、第５図
に示した抵抗１１の代りに２次巻線６を挿入し、打消し
電流回路を省略した場合の実施例を示している。

なお、自励動作は第５図の説明から容易に推察できるの
で省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における差動磁気検出素子の基本構成を
示す説明図、 第２図は本発明の動作原理を統合磁心のＢ　−Ｈ特性を
用いて説明する説明図、 第６図は本発明の差動磁気検出回路図、第４図は第６図
に於て△Ｈｅｘ−０、△Ｉ］′ｅＸ〉０、△Ｈ”　ｅ　
ｘ　（Ｑ　の各場合の端子における電圧波形ｅの図、 第５図は磁心を励磁する直流電圧を自動的に切り換える
ようにした磁気感応部、直流安定化電源部、磁気感応部
の出力を積分増巾する表示回路部から成る全体回路の１
例を示す図、 第６図は第５図の磁気感応部の変形回路の１例を示す図
である。 ｉａ、１ｂ・・・ガラス管　２・・・−次巻線６・・・
二次巻線　４ａ、４ｂ・・・磁心５・・・コンデンサ　
２ａ、２ｂ、ろａ、　３ｂ・・・ｉ子Ｇ・・・アース　
１００・・・磁気感応部２００・・・表示回路部　６０
０・・・直流安定化電源部Ａ、Ｂ・・・結点ｏ旦、　ｏ
Ｐ２・・・オペアンプＰ・・・非反転端子　１７・・・
チョークコイルＮ・・・反転端子　１９・・・指示計 代理人　弁理士　秋　沢　政　光 他２名 １ 曝 −」 片５［￥１ ＋Ｖｃ ７Ｆ’６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１磁心と第２磁心に巻装される巻線を逆極性に
   て直列接続し、第１磁心と第２磁心に印加する磁界の磁
   場勾配を各磁心を励磁する正の励磁期間と負の励磁期間
   に時間差を生じさせる両極性方形波電圧信号に磁電変換
   するために、ブリッジ回路を磁気半導体結合方式によっ
   て構成し、前記ブリッジ回路の少なくとも一辺に第１磁
   心と第２磁心からなる非線形インダクタンス素子を挿入
   し、前記ブリッジの中間点における不平衡電圧の符号を
   オペアンプにて検出し、前記オペアンプの出力電圧であ
   る正負飽和直流電圧にて、前記ブリッジ回路内の第１磁
   心と第２磁心を自励可能にしたことを特徴とする差動自
   励ブリッジ形磁気検出方法。